農田防護林下3種林菜不同采收期礦質元素含量變化

洪曼曼 董家林 陳桂蘭 卜慶雨

摘要為確定農田防護林下林菜的適宜種植位置、采收期，進一步提升林菜品質，以東風菜、大葉芹、老山芹為試驗材料，對其礦質元素進行動態積累研究。結果表明：東風菜、大葉芹、老山芹在4個不同采收期均含有大量的Ca、K、Mg、Zn、Fe、Mn、Cu等人體所必需的礦質元素，且Pb含量符合蔬菜制品的標準。3種林菜在不同采收期及位于不同種植位置時各元素的累積、吸收差異較大，尤其是對K、Ca、Mg、Na、Fe等元素影響較為顯著。林菜礦質元素之間存在極顯著相關性，但無明顯規律。從礦質元素角度綜合評價，東風菜在7月采收品質較好，大葉芹、老山芹在8月采收品質較好。礦質元素含量的動態積累結果將為林菜適宜采收期提供一定的科學依據。

關鍵詞林菜；礦質元素；采收期；主成分分析

中圖分類號：S759.8；S727.24文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.001

ChangesintheContentofMineralElementsofThreeKindsofForestVegetablesinDifferentHarvestingPeriodsUnderFarmlandShelterbelt

HongManman，DongJialin，ChenGuilan，BuQingyu

（NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China）

AbstractInordertodeterminethesuitableplantinglocationandharvestperiodofforestvegetablesunderthefarmlandshelterbelt，andfurtherimprovethequalityofforestvegetables，thedynamicaccumulationofmineralelementsinforestvegetableswasstudiedwithAsterscaber，PimpinellabrachycarpaandHeracleummoellendorffiiasexperimentalmaterials.TheresultsshowedthatAsterscaber，PimpinellabrachycarpaandHeracleummoellendorffiiallcontainedalargeamountofmineralelementsnecessaryforhumanbodysuchasCa，K，Mg，Zn，Fe，Mn，Cu，etc.infourdifferentharvestingperiods，andthecontentofPbmetthestandardofvegetableproducts.Theaccumulationandabsorptionofeachelementinthethreeforestvegetablesatdifferentharvestingperiodsandatdifferentplantingpositionsweresignificantlydifferent，especiallyforK，Ca，Mg，Na，Feandsomeotherelements.Therewasaverysignificantcorrelationamongthemineralelementsofforestvegetables，buttherewasnoobviousrule.ComprehensiveevaluationfromtheperspectiveofmineralelementsshowsthattheharvestqualityofAsterscaberisbetterinJuly，andtheharvestqualityofPimpinellabrachycarpaandHeracleummoellendorffiiisbetterinAugust.Theresultsofdynamicaccumulationofmineralelementscontentswillprovideacertainscientificbasisforthesuitableharvestperiodofforestvegetables.

Keywordsforestvegetable;mineralelement;harvestperiod;principalcomponentanalysis

東北地區農田防護林是三北防護林體系的重要組成部分[1]，其目的是調節區域農業生態環境，以減低風速、控制土壤侵蝕強度、塑造農田自然景觀、創建生物棲息環境為主要手段，以保護農田生態系統為目標的特殊防護林種[2]，對維護農業生態系統的生態平衡具有重要的意義[3-5]。在不開發林地和毀壞資源的情況下，對潛在替代品的研究可以增加農業生產，顯著減少對森林生態系統的壓力或威脅。減少森林生態系統壓力的替代方法之一是林菜模式，即根據林間光照強度及不同蔬菜對光需求的特性，科學地選擇種植方式和品種。林下種植蔬菜，一般在北方比較盛行[6]。其目標是通過種植來提高作物產量，從而最大限度地提高可持續利用的林產品。考慮到林下的獨特環境，對典型的農田有必要加強我們對農田防護林下林菜礦質元素的認識，使森林農業在生態和社會經濟上更可行。

林菜中含有豐富的礦質元素、維生素、蛋白質等營養成分，是人體所需的各種礦質元素來源之一[7]。因小黑楊（Populus×xiaohei）抗寒、耐干旱，是農田防護林的優良樹種[8]。本研究選擇小黑楊作為主要樹種的農防林，在農田防護林下間作東風菜（Asterscaber）、大葉芹（Pimpinellabrachycarpa）、老山芹（Heracleummoellendorffii）等。采用火焰原子吸收分光光度法，測定不同采收期、種植位置的3種林菜葉片中9種礦質元素的含量，用主成分分析法進行綜合評價，確定3種林菜適宜采收期、種植位置，用以林菜適宜采收期分析及品質鑒定[9-10]，為農田防護林下林菜的生產和應用提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于黑龍江省齊齊哈爾市拜泉縣豐產鄉長安村農田防護林內，地理坐標為125°45′E，47°39′N，海拔為256m。試驗區屬寒溫帶大陸性季風氣候區域，四季溫差較大，年平均溫度為2.1℃，年平均降水量488.2mm，年無霜期122d，日照2730h，土壤類型為黑土。農田防護林形式為林帶，其樹種為小黑楊，行距2m。以距離農作物2m的位置定為林緣位置，距離農作物4m定為林中位置，于5月開始采樣研究林菜不同采收期、種植位置的礦質元素變化。

1.2試驗材料

林菜自2010年開始種植，株距為3m，東風菜、大葉芹、老山芹于2021年5—8月進行取樣，每塊試驗樣地規格為1m×1m。將采集的樣品進行充分混勻，去除根、莖等不可食用的部分，將樣品的葉片用清水洗凈，擦干后放入紙袋置于DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海齊欣科學儀器有限公司）中烘干，溫度設為60°烘干48h，將干燥樣品用粉碎機（ERGOCHEF）進行研磨，過60目篩待測備用。

1.3試驗方法

1.3.1金屬元素的測定

用電子分析天平（奧豪斯，EX125DZH）分別稱取3種林菜干粉0.25g，各加入3mL濃硫酸和1mL高氯酸，依次放入消煮管，消解過程在通風櫥中進行：100℃消解30min，180℃消解30min，280℃消解30min，380℃消解60min，消解完成后消煮管內溶液為澄清透明溶液，冷卻后定容至50mL容量瓶中，過濾搖勻備用。采用火焰原子吸收光譜儀（PerkinELmer公司AA800）進行鉀（K）、鈣（Ca）、鈉（Na）、鎂（Mg）、銅（Cu）、鋅（Zn）、錳（Mn）、鐵（Fe）和鉛（Pb）的含量測定，各樣品平行測定3組，元素標準品和其他試劑均在Sigma購買。

1.3.2對照品溶液的制備

分別精密吸取多元素標準溶液，定容至10mL，配成多元素混標（K，Ca，Cu，Fe，Mn，Mg，Pb，Zn）母液，取不同體積的上述儲備液稀釋后，制成系列不同質量濃度的標準溶液，進行線性關系考察。

1.3.3供試品溶液的制備

取上述樣品消煮液，用去離子水稀釋至相應倍數，待測即可。

1.4數據統計分析

試驗數據采用OriginPro8.5和SPSS19.0進行方差分析、主成分分析。

2結果與分析

2.1各影響因素對礦質元素的影響

對不同品種、不同采收期和種植位置3種因素對礦質元素變化的影響進行了方差分析，結果見表1。

表1表明：采收期和品種的變異系數都達到極顯著水平（P＜0.01），說明隨著采收期的變化，不同品種的林菜對礦質元素的影響較大；種植位置對礦質元素的影響不明顯；在品種和采收期的交互作用中，除Na、Fe外，其他元素的變異系數都達到極顯著水平（P＜0.01），說明品種和采收期的交互作用對Na、Fe影響較小；種植位置和采收期交互作用時，Zn、Pb變異系數達到極顯著水平（P＜0.01），Mg、Fe的變異系數達到顯著水平（P＜0.05），說明種植位置和品種對這4種元素影響較大；在種植位置和采收期交互作用時，Zn、Mn、Pb達到極顯著水平（P＜0.01）；3種因素同時對礦質元素作用時，K、Ca、Mn變異系數達到顯著水平（P＜0.05），Zn、Pb變異系數達到極顯著水平，說明同時作用時，對Mg、Fe、Na、Cu影響較小。

2.23種林菜礦質元素含量月份動態變化

2.2.1林中位置礦質元素含量變化趨勢

由測定結果（圖1）可知，種植位置不同，各林菜礦質元素變化趨勢有所差異。位于林中位置的林菜在不同采收期的礦質元素含量不同，均含有豐富的K、Mg、Ca、Fe、Mn、Zn等人體所必需的礦質元素，其各種元素之間的變化趨勢也有所差異。隨著采收期的推進，東風菜中K含量

呈現先穩定上升后下降趨勢，直到8月份達到最低值；Ca含量呈上升趨勢；Mg含量先上升后逐漸下降，7月份達到最高值；Fe、Mn含量波動較大，呈“減-增-減”趨勢，并在7月達到最高值；Na含量先呈穩定趨勢后8月上升到最高值；Zn、Cu含量呈逐漸下降后上升趨勢，5月達到最高值；Pb含量逐漸下降，8月達到最低值。大葉芹中礦質元素隨著采收期的推進，K含量先上升后下降，6月達到最高值；Ca含量逐漸上升；Mg含量先緩慢上升后下降；Fe、Cu含量逐漸下降后上升，8月達到最高值；Na含量先下降后逐漸上升，但幅度不大；Mn含量先上升后下降，7月達到最高值；Zn含量先下降后上升最后又下降；Pb含量變化趨勢不明顯，5月達到最高值。老山芹中礦質元素隨著采收期的推進，K含量逐漸下降；Mg含量先上升后逐漸下降，7月達到最高值；Fe、Ca、Mn含量逐漸上升；Na、Cu含量先下降后逐漸上升，8月達到最大值；Zn含量先上升后下降，7月達到最高值；Pb含量先下降后上升，5月達到最大值。

2.2.2林緣位置礦質元素含量變化趨勢

隨著采收期的推進，東風菜中K含量先下降后上升，5月達到最大值（圖2）；Ca含量呈現先上升后下降趨勢；Mg含量先上升后逐漸下降，6月份達到最高值；Fe含量呈現“減-增-減”趨勢；Mn含量呈現先上升后下降趨勢，7月份達到最高值，與林中位置變化趨勢相同，但變化幅度不同；Na含量先呈穩定上升趨勢后7月上升到最高值；Zn含量先上升后下降，6月達到最大值；Cu含量呈逐漸下降后上升趨勢，5月達到最高值；Pb含量先上升后下降，6月達到最大值。大葉芹中礦質元素隨著采收期的推進，K含量逐漸下降；Ca呈“N”字形變化趨勢；Mg含量先上升后下降，6月達到最大值；Fe含量呈上升趨勢，8月達到最高值；Na、Cu含量先下降后上升；Mn含量逐漸上升；Zn含量呈平穩后下降趨勢；Pb含量逐漸下降。老山芹礦質元素中，K含量先趨于平穩后下降；Mg含量先上升后逐漸下降，6月達到最高值；Ca、Fe含量逐漸上升；Na、Cu、Mn含量先下降后逐漸上升，8月份達到最大值；Zn、Pb含量先下降后上升最后又下降，Zn含量5月達到最大值，Pb含量7月達到最大值。

2.3林菜9種礦質元素的相關性分析

對3種林菜中的9種礦質元素含量分別進行相關性分析，不同林菜中各礦質元素存在一定的相關性。

在東風菜中（表2），K-Pb、Mn-Fe、Ca-Mn呈極顯著正相關（P<0.01）；K-Ca、Pb-Ca、Mg-Cu呈極顯著負相關（P<0.01），Mn-K呈顯著負相關（P<0.05）。在大葉芹中（表3），Ca-Cu、Fe-Mn、Zn-Pb、Mn-Cu、Na-Mn、Na-Cu呈極顯著正相關（P<0.01），Ca-Na呈顯著正相關（P<0.05），K-Ca、K-Fe、K-Mn、K-Cu、Mg-Cu、K-Na呈極顯著負相關（P<0.01）；Ca-Zn呈顯著負相關（P<0.05）。在老山芹中（表4），K-Mg、K-Zn、Ca-Fe、Ca-Na、Ca-Mn、Ca-Cu、Fe-Na、Fe-Mn、Fe-Cu、Na-Mn、Na-Cu、Mn-Cu呈極顯著正相關（P<0.01），K-Ca、K-Fe、K-Na、K-Mn、K-Cu、Mg-Na、Mg-Mn、Mg-Cu、Zn-Cu、Ca-Zn呈極顯著負相關（P<0.01），Ca-Mg、Mg-Fe、Zn-Fe、Zn-Na呈顯著負相關（P<0.05），其他礦質元素間無相關性。正相關表示林菜中元素含量升高或者降低時其他元素的含量也相應地呈現升高或降低的趨勢，存在較好的協同作用，反之則顯示元素之間存在拮抗作用，即某些元素升高或降低時其他元素反而降低或升高。

2.4東風菜、大葉芹、老山芹主成分分析及綜合評價

對農田防護林下3種林菜的不同采收期、種植位置中的9種礦質元素含量進行主成分分析，以特征值≥1為提取主成分的標準。東風菜中共提取了4個主成分（F1～F4），累計貢獻值達95.131%，表明這4個主成分已經代表原始變量的大部分信息（表5）。因此選擇4個主成分代替原始9個指標，從而起到降維分析的作用。

在大葉芹中提取了3個主成分（F1～F3），老山芹中提取了2個主成分（F1、F2），累計貢獻率分別為91.021%、85.948%，表明這幾個主成分分別已經代表原始變量的大部分信息（表6、表7）。

由表8、表9和表10可知，各個主成分的方差貢獻率有差異，因而對各主成分的評價應以其貢獻率為權重，由主成分得分和對應權重相乘求和構建綜合評價函數，東風菜函數公式：F=0.40738×F1+0.26087×F2+0.16498×F3+0.11808×F4；大葉芹函數公式：F=0.60949×F1+0.18795×F2+0.11277×F3;老山芹公式：F=0.72638×F1+0.1331×F2。將標準化的數據代入上述函數公式中，根據函數計算不同種植位置、采收期礦質元素各主成分得分、綜合得分及排名。結果表明，東風菜適宜采收期為7月份，大葉芹、老山芹的適宜采收期為8月份，并且3種林菜在林緣位置的礦質元素含量高于林中位置，從而確定適宜種植位置為林緣位置。

3討論

本研究結果表明，品種、采收期及交互作用對礦質元素影響極顯著，但種植位置對礦質元素含量的影響不顯著，這可能與位置距離相差較近、土壤中養分供給有關。但處于林緣位置的礦質元素含量高于林中位置，單獨從老山芹看，老山芹為耐陰植物，適宜的遮陰環境會增加細胞內葉綠素的積累，提高喜陰植物的補光能力，可以有效吸收光能，從而增加光合作用，這與于錫宏等對老山芹進行不同遮陰處理的研究結果一致[11]。有利于植物生長發育及土壤養分空間的異質性表現大小不一，并且隨著時間的變化，足以影響植物之間的關系。本研究結果表明，林菜中富含的各種礦質元素對人體有重要的生理意義，隨著采收期、種植位置的不同，含量不斷發生變化。據研究發現，林菜礦質元素含量不僅與生長條件、土壤等因素有關[12]，還會因采收期、種植位置的不同而產生差異。本研究測定了農田防護林下種植的東風菜、大葉芹、老山芹中的9種礦質元素含量及其變化情況，3種林菜中K、Ca、Mg、Fe、Na元素含量豐富，礦質元素含量大多超過其他野生蔬菜，這與臧玉紅北方常見9種野生蔬菜中6種礦質元素的測定結果一致[13]。從大葉芹礦質元素含量變化看，隨著采收期的變化，K元素含量最高，這與單琳等的研究結果一致[14]，但是不同月份之間林菜礦質元素含量變異程度較大，這可能與當月氣候條件及植物體內自身代謝有關。除此之外，本研究還簡單關注了重金屬元素污染的問題，重金屬元素Pb的含量是隨著采收期的變化而變化，但變化趨勢不明顯，說明林菜對重金屬元素的富集不受采收期影響，且Pb含量均未超過《GB2762-2017食品安全國家標準食品中污染物限量》的要求。K、Mg在活性氧代謝中均起重要作用，Ca是細胞膜的重要組成部分，Ca2＋能提高作物葉片的葉綠素和蛋白質含量[15]，因此通過對林菜9種礦質元素含量測定可以看出，K、Mg、Ca含量最高，這有利于植物對營養物質的吸收。單獨來看，老山芹中的K元素含量最高，可能是該品種對K有一定的富集作用，這和吳寶成等研究結果一致[16]。K、Mg、Ca等大量元素長期不足或過多時，植物的生長和生理生化功能都會受到一定影響，進而導致食用或者營養價值的降低，因此，可以根據不同需要對其有針對性的使用。

本研究結果表明，通過對礦質元素之間進行相關性分析，發現不同元素之間相關性較強。Fe-Mn、Ca-Cu等元素之間都呈極顯著正相關（P<0.01），可對林菜施加鐵肥，對植株葉片上鐵素含量具有良好的促進作用[17]，所以，在對礦質元素調控管理過程中如何保持元素間的適宜量比及與其他礦質元素保持平衡對林菜高產優質生產極為重要。但在大葉芹中，Mg與其他元素之間均不具有相關性，在老山芹中，Pb元素與其他元素之間均不具有相關性，說明不同種林菜中礦質營養元素積累量之間存在一種動態的平衡關系，林菜對某一種礦質元素的吸收會受其他礦質元素吸收的影響，礦質元素積累之間具有協同作用，又同時共同調節林菜生長發育[18]。本文對不同采收期、不同種植位置的3種林菜進行主成分分析，明確了在東風菜中，提取出4個主成分，主要代表元素為Ca、Mn、Zn、Cu；大葉芹提取出3個主成分，代表元素為Na、Zn、Pb；老山芹中提取出2個主成分，代表元素為Na、Zn，這與王俊杰等主成分分析的結果基本一致，即在老山芹中，第1主成分代表Na的元素特征，任何一種元素的缺乏或者過量都會影響其他元素的吸收和作用的發揮[19]。適宜采收期因品種不同存在差異，可能是不同品種本身的生理條件對礦質元素的富集能力不同。同時本研究可以為農田防護林下不同種林菜適宜采收期、種植位置提供依據，為農田防護林下不同種林菜綜合品質評價、品種選育、優勢品種推廣等提供參考，因此，可以根據實際需求對不同時期的林菜進行針對性使用。由于本研究只針對試驗區農田防護林下的林菜，因此，其他農田防護林下的林菜是否符合本研究結果有待進一步研究，以及農田防護林的脅迫作用是否對林菜產量、品質有影響還需進一步研究。

4結論

本研究表明，通過多因素方差分析，發現同一農田防護林下，不同采收期、種植位置、品種對礦質元素影響各不相同，采收期、品種對礦質元素的影響極顯著（P＜0.01），隨著采收期的推進，不同種植位置，對不同種林菜中礦質元素含量變化趨勢影響差異明顯。通過對礦質元素間相關性分析，發現林菜中各礦質元素間相關性較強。分別對3種林菜進行不同種植位置、不同采收期的綜合分析得出，東風菜適宜采收期為7月，大葉芹、老山芹適宜采收期為8月，種植在林緣位置各礦質元素吸收較好。

綜上所述，農田防護林下種植的東風菜、大葉芹、老山芹礦質元素含量豐富，但隨著采收期的推進，含量變化趨勢無明顯規律，在開發和利用中可以根據礦質元素含量分布特點進行種植。

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收稿日期：2022-11-10

基金項目：國家重點科技研發項目（2021YFD150070506）；中央高校基本科研業務費項目（2572020DR02）

作者簡介：洪曼曼（1997-），女，黑龍江木蘭人，在讀碩士，從事森林植物資源研究.